2016 Fiscal Year Annual Research Report

触媒設計に資する“超吸着種”概念を用いた表面反応解析基盤の開発

Research Project

Project/Area Number	15H05555
Research Institution	Kwansei Gakuin University
Principal Investigator	小倉鉄平関西学院大学, 理工学部, 准教授 (90552000)
Project Period (FY)	2015-04-01 – 2019-03-31
Keywords	局所表面 / 特異サイト / 超吸着種 / 量子化学計算 / メタン水蒸気改質 / 反応機構 / 反応一般則
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、独自に考案した“超吸着種”概念を用いて、高温不均一表面反応機構の自動生成アルゴリズムを開発し、触媒設計に資する表面反応解析基盤を開発することを目的とする。解析基盤開発に必要な研究課題として、(1)表面反応機構の分類化、(2)局所表面構造を包含した表面反応一般則の確立、(3)反応機構自動生成アルゴリズムの考案、(4)自動生成プログラムの実装、の4つにブレイクダウンし取り組む。 2年目となる平成28年度は、初年度に引き続き(1)および(2)の課題を実施した。主に、アドアトム・ディフェクト・擬ステップ・擬キンクの４つのプロトタイプ局所表面構造モデルを用いて、初年度計算したメタン水蒸気改質における中間吸着種の安定構造を元に、各表面素反応の遷移状態を量子化学計算により探索した。その結果、擬ステップ・擬キンクでの活性化エネルギーが概ね低く主反応サイトとなるが、テラスに拡散し一部の素反応が進行する可能性も示唆された。表面反応一般則確立のため、反応エネルギーと活性化エネルギーとの相関を示すEvans-Polaniiプロットを考察したところ、反応が関与する結合によって分類すれば相関性が高く、活性化エネルギーを予測可能であることがわかった。しかし、一部の反応分類においては、メタン水蒸気改質の反応だけでは一般則と言えるだけの十分なサンプル数を確保できなかったため、平成29年度まで研究実施期間を延長し、追加の量子化学計算を行うことで、(1)および(2)の課題を概ね達成することができた。これらの研究実施内容について国内外で計4件の成果発表を行った。特に、国際学会ICCMSE2017において招待講演を行っており、触媒開発における本研究の重要性が引き続き評価されていると言える。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason (1)および(2)の研究課題について、プロトタイプとなるメタン水蒸気改質の反応機構に現れる素反応については平成28年度中に達成する予定であった。しかし、活性化エネルギー等の反応速度定数データを解析した結果、一般則確立のため追加の量子化学計算が必要となったため、平成29年度途中まで達成時期がずれこんだ。また(3)の課題についても着手予定であったが、その影響をうけ平成28年度には実施できなかった。しかし、このような事態が生じることもある程度は想定内であり、残りの研究期間内には十分取り戻すことが可能であると考えている。そのため、総合評価としては「やや遅れている」と判断する。
Strategy for Future Research Activity	今後は、(3)反応機構自動生成アルゴリズムの考案、の研究課題を主に実施する。気相反応でのノウハウを元に、反応物のみ指定した場合の中間反応種、生成物を自動的に予測、展開していく。反応機構を展開する際に、これまでに検討できていない反応や中間反応種を考慮する必要性が生じた場合は、(2)の研究課題で確立した表面反応一般則を更に他の化学種、より複雑な局所表面構造へと展開する事で、反応一般則の拡張を行う。その後は最終年度の実施になると考えているが、(4)自動生成プログラムの実装、の研究課題において、(2)と(3)の課題を組み合わせ、予測展開した表面化学種及び素反応群に対して熱力学データ及び反応速度定数を自動的に算出し反応機構を出力するプログラムを作成・実装する。